陳瑩穎，祝 龍，喬鑫位，王曉剛

(1.南京水利科學(xué)研究院，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

蚌埠閘由新老泄洪閘、復(fù)線船閘和電站等組成，上游約150 km建有臨淮崗樞紐，下游至洪澤湖180 km河道沒(méi)有攔河建筑物。蚌埠閘上下游既有草魚(yú)、鰱、鳙等代表性產(chǎn)漂流性卵魚(yú)類分布，也有小規(guī)模產(chǎn)漂流性卵魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)分布(蚌埠閘以上淮河干流有鳳臺(tái)產(chǎn)卵場(chǎng)，下游有五河產(chǎn)卵場(chǎng))。已建蚌埠閘利用閘壩泄流過(guò)魚(yú)，未設(shè)專門過(guò)魚(yú)設(shè)施，有必要新建蚌埠閘過(guò)魚(yú)設(shè)施，恢復(fù)淮河干流中游的連通性，促進(jìn)蚌埠閘上下游間的魚(yú)類資源交流。

豎縫式魚(yú)道因其過(guò)魚(yú)效率高、適應(yīng)水位變化能力強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的工程應(yīng)用[1]。上層魚(yú)類和下層魚(yú)類都可以適應(yīng)垂直豎縫式魚(yú)道，更利于上下游各種魚(yú)類的交流[2]。蚌埠閘魚(yú)道的設(shè)計(jì)水位變幅相對(duì)較大，綜合考慮工程特性和過(guò)魚(yú)對(duì)象的生態(tài)習(xí)性，蚌埠閘魚(yú)道采用垂直豎縫式魚(yú)道結(jié)構(gòu)形式。

研究發(fā)現(xiàn)，采用紊流數(shù)學(xué)模型能較好地模擬魚(yú)道水流結(jié)構(gòu)[3-4]，RNGk-ε紊流模型應(yīng)用于魚(yú)道水流模擬已較成熟[5]。本文通過(guò)建立蚌埠閘魚(yú)道池室三維RNGk-ε紊流模型，多測(cè)點(diǎn)精細(xì)化研究分析不同水層池室和休息池的水流流態(tài)、流速、豎縫最大流速以及池室坡度對(duì)池室水力特性的影響等，為蚌埠閘魚(yú)道的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)參考。

1 魚(yú)道設(shè)計(jì)

1.1 魚(yú)道設(shè)計(jì)流速

蚌埠閘魚(yú)道工程的設(shè)計(jì)流速指標(biāo)為0.6～1.0 m/s，結(jié)合工程實(shí)際，在魚(yú)道隔板設(shè)計(jì)時(shí)控制流速指標(biāo)在0.7 m/s左右，既能滿足大個(gè)體魚(yú)類上溯需求，又能兼顧游泳能力較弱的過(guò)魚(yú)對(duì)象。

1.2 魚(yú)道池室主要設(shè)計(jì)尺寸

根據(jù)蚌埠閘魚(yú)道的過(guò)魚(yú)對(duì)象體長(zhǎng)、生活習(xí)性以及魚(yú)道的設(shè)計(jì)流速要求，蚌埠閘魚(yú)道選用單側(cè)豎縫式魚(yú)道，魚(yú)道池室尺度為池室寬2.5 m、池室長(zhǎng)3 m、休息池取2倍池長(zhǎng)(休息池宜為平底[6])、豎縫寬度0.4 m、設(shè)計(jì)水深1.5 m。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，提出一種隔板布置形式，細(xì)部尺寸見(jiàn)圖1。采用該垂直豎縫無(wú)翼板式隔板布置形式，蚌埠閘魚(yú)道水流條件容易控制，消能效果較佳；當(dāng)上下游水位同步變化時(shí)，較能適應(yīng)水位的變幅[7]；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。

圖1 蚌埠閘魚(yú)道一種隔板布形式平面(單位：mm)

2 數(shù)學(xué)模型

魚(yú)道數(shù)值計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度取73 m，含16級(jí)池室和1個(gè)休息池，共17塊隔板。建立了池室坡度為1:100的魚(yú)道池室數(shù)學(xué)模型，研究不同坡度對(duì)池室水流影響時(shí)還計(jì)算了坡度為1:120和1:140時(shí)池室水力特性。休息池為平底，休息池長(zhǎng)度為6 m?？紤]到魚(yú)道水深對(duì)池室流速、流態(tài)影響不大，數(shù)學(xué)模型中池室計(jì)算水深取魚(yú)道正常運(yùn)行水深1.5 m。

2.1 基本方程

考慮不可壓縮水流流動(dòng)問(wèn)題，池室三維紊流數(shù)學(xué)模型采用RNGk-ε雙方程紊流模型并耦合VOF(the volume of fluid)技術(shù)對(duì)水流自由表面進(jìn)行捕捉，三維水流模型的控制方程為：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

對(duì)自由表面的捕捉采用VOF方法，在空間上定義函數(shù)F，全含水為1，不含水為0，當(dāng)為自由表面時(shí)，0

DF/Dt=0

(5)

2.2 模型驗(yàn)證

利用某魚(yú)道大比尺物理模型(模型比尺1:2.5)實(shí)測(cè)池室流速數(shù)據(jù)對(duì)本文數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。魚(yú)道池室流速見(jiàn)圖2。采用本文數(shù)學(xué)模型模擬魚(yú)道水流條件，獲得的魚(yú)道池室流速見(jiàn)圖3。驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，兩者流態(tài)基本一致，主流明確，主流兩側(cè)各有一弱回流區(qū)，主流最大流速在1.0 m/s左右。另外，對(duì)魚(yú)道最重要的豎縫流速(流速控制斷面)進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)學(xué)模擬豎縫總平均流速為0.97 m/s，最大流速為1.01 m/s；物理模型豎縫總平均流速為0.95 m/s，最大流速為1.05 m/s。兩個(gè)重要參數(shù)分別僅差2%和4%，說(shuō)明本文數(shù)學(xué)模型參數(shù)取值合理。

圖2 某魚(yú)道池室物理模型流速(單位：m/s)

圖3 某魚(yú)道池室數(shù)學(xué)模型流速

3 水力特性

3.1 池室水力特性

池室上層(距底1.3 m)、中層(距底0.8 m)和下層(距底0.3 m)水流流速見(jiàn)圖4，池室主流流線見(jiàn)圖5。池室內(nèi)主流呈現(xiàn)S形彎曲，主流寬度與豎縫寬度接近，約0.4 m；主流流向明確、平順，池室左、右側(cè)各形成了一個(gè)漩渦，池室右側(cè)漩渦范圍較大，但兩側(cè)漩渦強(qiáng)度都很弱，流速大小在0.1～0.2 m/s，適合魚(yú)類休息。

圖4 坡度1:100時(shí)池室流速

圖5 坡度1:100時(shí)池室主流流線

為了定量了解魚(yú)道池室內(nèi)水流流速大小，在池室內(nèi)布設(shè)7個(gè)測(cè)流斷面(斷面間距0.5 m)，見(jiàn)圖6。每個(gè)測(cè)流斷面的每個(gè)水層均勻布設(shè)13個(gè)測(cè)點(diǎn)，上、中、下水層共設(shè)置273個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中中層各測(cè)點(diǎn)流速見(jiàn)表1。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)流速數(shù)據(jù)，池室上、中、下水層主流最大流速分別為0.64、0.68、0.69 m/s(縱向流速、橫向流速、垂向流速的合速度)，水層越低主流流速值越高；計(jì)算得池室內(nèi)主流最大流速平均值為0.67 m/s；273個(gè)測(cè)點(diǎn)中，流速大于0.6 m/s的測(cè)點(diǎn)僅7個(gè)，占總數(shù)的2.6%，且均在豎縫附近；流速不大于0.2 m/s的測(cè)點(diǎn)有188個(gè)，池室內(nèi)存在大范圍小流速區(qū)。

圖6 池室布設(shè)7個(gè)測(cè)流斷面(單位：mm)

表1 坡度1:100時(shí)池室中層流速v

另在距池底0.8 m水層上，在該池室7個(gè)測(cè)流斷面，每個(gè)斷面均勻布設(shè)20個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)140個(gè)測(cè)點(diǎn)。該池室不同斷面最大流速見(jiàn)圖7，典型斷面上各測(cè)點(diǎn)在X、Y方向上的流速見(jiàn)圖8。由圖7可知，Z向流速最大值僅為0.02 m/s，說(shuō)明在池室內(nèi)可忽略垂向水流影響，水流呈現(xiàn)二維特征；在X、Y向流速分布來(lái)看，池室主流在豎縫區(qū)前后X或Y向流速均較大，且Y方向發(fā)生了變化，說(shuō)明主流流經(jīng)豎縫時(shí)發(fā)生一定轉(zhuǎn)向；主流在池室內(nèi)流速超過(guò)0.6 m/s的區(qū)域主要位于隔板豎縫附近區(qū)域，池室內(nèi)大部分區(qū)域主流流速在0.4～0.6 m/s；池室主流右側(cè)大部分區(qū)域流速較低，為0.1～0.2 m/s，適合魚(yú)類上溯過(guò)程短暫休息；池室主流左側(cè)區(qū)域有流速小于0.3 m/s的回流區(qū)，范圍較小且位于池室左側(cè)邊壁，不會(huì)對(duì)魚(yú)類上溯產(chǎn)生較不利的影響。

圖7 坡度1:100時(shí)池室中層不同斷面最大流速分布

圖8 坡度1:100時(shí)池室典型斷面流速分布

3.2 休息池水力特性

休息池上、中、下水層水流流速見(jiàn)圖9，休息池主流流線見(jiàn)圖10。休息池內(nèi)主流也略呈S形彎曲，主流寬度與豎縫寬度接近，約0.4 m；主流流向明確、平順，受休息池右側(cè)邊壁影響，主流貼右側(cè)壁流動(dòng)；由于休息池長(zhǎng)度較長(zhǎng)，主流由上一級(jí)池室流入休息池后，在左側(cè)形成了一個(gè)較大范圍的漩渦，但漩渦強(qiáng)度很弱，流速值大小基本在0.1～0.2 m/s，適合魚(yú)類在此充分休息。

圖9 坡度1:100時(shí)休息池流速

圖10 坡度1:100時(shí)休息池主流流線

為了定量了解魚(yú)道休息池內(nèi)水流流速大小，在典型休息池內(nèi)布設(shè)13個(gè)測(cè)流斷面(斷面間距0.5 m)，見(jiàn)圖11。每個(gè)測(cè)流斷面每個(gè)水層均勻布設(shè)13個(gè)測(cè)點(diǎn)，上、中、下水層共設(shè)置507個(gè)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)流速數(shù)據(jù)，休息池上、中、下水層主流最大流速值分別為0.63、0.65、0.66 m/s，同樣是水層越低主流流速值越高；計(jì)算得休息池內(nèi)主流最大流速平均值為0.65 m/s，與池室主流最大流速平均值0.67 m/s相當(dāng)(僅低3.5%)；507個(gè)測(cè)點(diǎn)中，流速大于0.6 m/s的測(cè)點(diǎn)僅12個(gè)，占總數(shù)的2.4%，且均在豎縫附近；流速不大于0.2 m/s的測(cè)點(diǎn)有289個(gè)，休息池內(nèi)存在大范圍低流速回流區(qū)，流速值在0.1～0.2 m/s，適合魚(yú)類上溯休息；對(duì)比可知，休息池低流速區(qū)面積相比池室顯著增大，面積增大約54%，魚(yú)類由此得到足夠休息和輕松上溯的空間。

圖11 休息池布設(shè)13個(gè)測(cè)流斷面(單位：mm)

3.3 豎縫最大流速

為了確定魚(yú)道在豎縫處最大流速值，在沿程13個(gè)隔板豎縫間布設(shè)了多個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別取上、中、下水層上的最大流速，不同隔板豎縫最大流速見(jiàn)表2。

表2 坡度1:100時(shí)豎縫最大流速值 m/s

豎縫處最大流速為0.79 m/s，從豎縫最大流速沿水深分布看，豎縫沿水深最大流速平均值沿程為0.67～0.76 m/s，豎縫平均最大流速分布較為均勻，沿程無(wú)明顯增大或減小現(xiàn)象。從豎縫垂向最大流速變化看，豎縫內(nèi)最大流速值沿水深變化較小，豎縫垂向最大流速變化僅為0.08 m/s，且與池室和休息池不同水層主流最大流速一致，也基本是水層越低豎縫最大流速值越高。魚(yú)道豎縫最大流速平均值為0.71 m/s，可滿足魚(yú)道設(shè)計(jì)流速指標(biāo)要求。

4 不同坡度對(duì)池室水力特性影響

為更全面了解該隔板形式魚(yú)道池室的水力特性，還針對(duì)池室坡度為1:120和1:140的情況建立三維數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析池室坡度對(duì)池室水力特性的影響。數(shù)值模擬結(jié)果分析中所取的3個(gè)水層、斷面、測(cè)點(diǎn)等位置和分布均與第3節(jié)一致。

池室坡度為1:120和1:140時(shí)，整體水流流態(tài)均與池室坡度1:100時(shí)差別不大，主流總體平順、流線呈S形彎曲，池室內(nèi)主流兩側(cè)形成兩個(gè)弱回流區(qū)，休息池內(nèi)主流左側(cè)形成一個(gè)較大范圍的弱回流區(qū)，但魚(yú)道內(nèi)流速整體偏小。不同池室坡度的魚(yú)道豎縫平均最大流速值與降低比例見(jiàn)表3。隨著池室坡度由1:100變緩至1:140，豎縫平均最大流速呈遞減趨勢(shì)、降低了16.9%；池室坡度為1:100和1:120時(shí)，魚(yú)道豎縫平均最大流速分別為0.71 m/s和0.65 m/s，滿足魚(yú)道設(shè)計(jì)流速要求；池室坡度為1:140時(shí)底坡較緩，魚(yú)道豎縫平均最大流速為0.59 m/s，小于魚(yú)道設(shè)計(jì)流速指標(biāo)。

表3 魚(yú)道豎縫平均最大流速特征值與降低比例

根據(jù)數(shù)模計(jì)算結(jié)果，綜合考慮魚(yú)道池室內(nèi)部水流條件和工程量，建議蚌埠閘魚(yú)道的池室坡度選為1:100～1:120，建設(shè)條件許可情況下可取相對(duì)較緩底坡，即1:120坡度，以營(yíng)造良好的上溯水力條件。

5 結(jié)語(yǔ)

1)綜合考慮工程特性和過(guò)魚(yú)對(duì)象的生態(tài)習(xí)性，蚌埠閘魚(yú)道采用垂直豎縫式魚(yú)道結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)提出了一種無(wú)翼板式隔板布置形式。

2)通過(guò)建立三維紊流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析了魚(yú)道池室和休息池水力特性。池室和休息池內(nèi)水流流態(tài)均較佳，主流基本呈S形彎曲、明確且平順，魚(yú)類上溯過(guò)程中無(wú)需急速轉(zhuǎn)彎，有利于節(jié)省體力；主流最大流速基本出現(xiàn)在豎縫附近，且水層越偏下主流流速相對(duì)越高；主流在池室左右兩側(cè)均存在較大范圍流速低于0.2 m/s的低流速區(qū)、在休息池內(nèi)存在大范圍的流速在0.1～0.2 m/s的弱回流區(qū)，適合魚(yú)類休息；隔板布置形式可滿足魚(yú)類在魚(yú)道內(nèi)輕松上溯和充分休息的要求。

3)池室坡度不同時(shí)，魚(yú)道整體水流流態(tài)差別不大，魚(yú)道內(nèi)水流流速整體隨坡度變緩而減小。池室坡度為1:100和1:120時(shí)，魚(yú)道豎縫平均最大流速分別為0.71 m/s和0.65 m/s，滿足魚(yú)道設(shè)計(jì)流速要求，為營(yíng)造良好的上溯水力條件，建議條件許可情況下取相對(duì)較緩的1:120坡度。